当合成生物学进入更深水区,问题已不只是增删一个基因,而是能否重新安排能量、碳流、分子运输和材料组装,让生命系统按新的规则运行。
近期的几项研究覆盖微生物制造、植物工程、蛋白设计与组织修复。共同变化是:研究者正从改造单一元件转向重构系统约束,同时用定量性能、体内实验或实验验证检验设计是否真正成立。
01 · 正交能量|一碳利用|大肠杆菌另建一套能量系统,大肠杆菌开始依靠二氧化碳和甲醇生长
研究者绕开细胞原有能量分配限制,为一碳同化单独配置还原力,并把生长与多种化学品合成接入同一平台。
该研究在大肠杆菌中构建正交能量系统,并设计二氧化碳—甲酸—乙酰辅酶A—丙酮酸—苹果酸通路,改造关键酶以依赖NUDH运行,再重新连接细胞原有电子传递链,检验二氧化碳与甲醇条件下的生长和产物合成。
工程菌胞内NUDH浓度超过7.0mM,NUDH/NUD⁺比值高于55;整合后的系统支持其在二氧化碳和甲醇上生长,倍增时间为8.6±0.3小时,最高OD₆₀₀达到37.5±5.8。平台还覆盖甲羟戊酸、乳酸、2,3-丁二醇和琥珀酸,说明独立配置能量供给可扩展一碳转化的产物出口。
关键数据
胞内NUDH浓度超过7.0 mM
NUDH/NUD⁺比值高于55
倍增时间为8.6±0.3小时
最高OD₆₀₀为37.5±5.8
这项研究值得关注的地方
把能量供给从原生代谢竞争中分离,为构建一碳生长与制造底盘提供了可量化框架。
注:
证据来自工程大肠杆菌体系;不同产物的产量、过程稳定性及放大表现未在所给结果中量化。
02 · 天然产物|三嗪核苷|生物合成阿扎胞苷从哪里来?一条始于GTP的完整合成路线被接通
研究追溯一种罕见三嗪核苷的天然来源,确定基因簇、关键中间体和逐步成环路线,为后续生物制造提供依据。
该研究以莫巴拉链霉菌IPIO2为对象,利用耐药基因引导的比较基因组策略定位阿扎胞苷生物合成基因簇,并结合体内与体外实验解析从GTP出发、经过骨架形成及核糖基转移的完整生物合成路径。
双功能GTP环化水解酶AzaE以三氨基嘧啶中间体为主要产物,同时形成H2NTP旁路产物;不依赖辅因子的cupin双加氧酶AzaA利用O₂和H₂O提供氧原子,组装1,3,5-三嗪骨架。随后由AzaB/AzaC脱羧、AzaD转移磷酸核糖,AzaG及内源水解酶完成去磷酸化,最终生成阿扎胞苷。
关键数据
起始底物为GTP
AzaE主要生成三氨基嘧啶中间体
AzaA同时利用O₂和H₂O作为氧供体
AzaD负责磷酸核糖转移
这项研究值得关注的地方
从基因簇到酶促步骤均被串联起来,使罕见三嗪核苷的异源合成和路径优化有了明确靶点。
注:
结论来自链霉菌及体内外生化实验;尚不能据此判断工程化生产的产率、规模化可行性或临床效果。
03 · 跨界RNAi|细菌囊泡|植物病害让根际细菌递送双链RNA,跨界沉默能否在土壤中持续工作
工程根际细菌借助外膜囊泡把RNA送入病原真菌,并在温室棉花中减轻病害,回应了田间递送不稳定的难题。
该研究改造棉花根际细菌成团泛菌YC4,使其产生并递送针对大丽轮枝菌的双链RNA;通过小RNA测序比较细胞内、外膜囊泡和真菌细胞中的RNA富集模式,并以启动子工程和OmpA-DRB4融合增强生产与装载,最后开展温室试验。
细菌外膜囊泡选择性富集特定内源小RNA,真菌细胞中出现一致的富集模式,支持外膜囊泡是跨界RNA递送的主要载体。工程菌能够持续定殖棉花根际,并在温室条件下缓解黄萎病症状、降低真菌负荷。结果说明,活体根际共生菌可同时承担原位生产、保护和递送RNA的任务。
关键数据
递送宿主为成团泛菌YC4
靶标病原为大丽轮枝菌
外膜囊泡呈选择性小RNA富集
温室试验观察到病症和真菌负荷下降
这项研究值得关注的地方
把容易降解的外源RNA转化为根际原位递送任务,为土传真菌病控制提供了系统化方案。
注:
证据限于工程菌、病原真菌和温室棉花体系;环境释放安全性、田间稳定性及非靶标影响仍需专门评估。
04 · 碳流重排|肌醇生产|生物反应器不再依赖甘油共喂,葡萄糖旁路把生长与前体积累重新兼容
研究通过重排葡萄糖进入中心代谢的路线,在维持菌体生长的同时积累关键前体,实现高水平肌醇发酵。
该研究在大肠杆菌中建立合成葡萄糖酸旁路,使葡萄糖来源碳在删除磷酸葡萄糖异构酶pgi后仍可进入中心代谢;随后动态调控葡萄糖脱氢酶Gdh,并表达不受葡萄糖-6-磷酸抑制的人己糖激酶I变体HK1(T536A)。
仅删除pgi不足以提高肌醇产量,关键在于同时控制碳流离开和进入葡萄糖-6-磷酸节点。两项调控协同提高前体池后,以葡萄糖为唯一碳源的仪器化生物反应器中,肌醇滴度达到233gL⁻¹,生产阶段收率为81%。这表明旁路设计可缓解菌体生长与前体积累之间的冲突。
关键数据
肌醇滴度为233 g L⁻¹
生产阶段收率为81%
唯一碳源为葡萄糖
关键酶变体为HK1(T536A)
这项研究值得关注的地方
结果把中心代谢重构落实为明确的反应器性能,也为其他葡萄糖-6-磷酸衍生产品提供设计思路。
注:
结果来自特定工程菌株和仪器化反应器;对其他产物的通用性以及工业放大表现仍需逐一验证。
05 · 非天然氨基酸|响应材料|自组装只替换六个氨基酸,蛋白聚合物便能随温度和光改变形态
极少量非天然氨基酸即可改写蛋白材料的组装路径,使其在温度或光刺激下切换形态与功能。
该研究构建重组弹性蛋白样多肽—节肢弹性蛋白样多肽二嵌段材料,在序列中引入不同疏水性和不同位置的非天然氨基酸,考察温度依赖的多步相变、自组装形态,并测试光开关氨基酸对形态和功能的可逆调控。
仅引入6个非天然氨基酸、占全部残基不足1.5%,便足以改变相行为和组装路径,形成胶束、囊泡及更高阶结构;最终形态与氨基酸疏水性和所在位置有关。引入光开关氨基酸后,材料可在光照下可逆改变纳米结构,并调节底物包封和酶活性,显示少量序列改动即可建立多刺激响应。
关键数据
引入6个非天然氨基酸
非天然氨基酸占残基比例不足1.5%
形成胶束、囊泡和更高阶组装体
光照可逆调控纳米结构形态
这项研究值得关注的地方
它提供了以遗传编码方式精细控制蛋白材料相变和功能的设计规则,而非仅靠改变整体组成。
注:
证据来自重组蛋白聚合物和体外材料实验;药物递送、细胞内应用及体内安全性尚不能由此确定。
06 · 农杆菌编辑|CRISPR|植物转化先改造植物转化工具本身,农杆菌编辑效率覆盖十八个位点
研究建立可同时编辑农杆菌染色体和Ti质粒的工具,并用去除耐药基因和调整免疫识别验证其用途。
该研究开发λRed重组酶辅助的CRISPR/Cas9系统,在不同根癌农杆菌菌株的染色体和Ti质粒上测试点突变、插入、缺失及大片段替换,并加入SacB反选择标记以清除编辑质粒,进一步连续改造EHA105菌株。
18个靶位点的编辑效率为26.7%至100%。研究者连续删除EHA105中的4个抗生素耐药位点,所得EHA105-S仍保持野生型生长动力学和转化效率;另对2个延伸因子Tu基因的微生物相关分子模式进行改造,使菌株避开EFR识别,并提高其在拟南芥中的瞬时表达效率。
关键数据
共测试18个靶位点
编辑效率为26.7%至100%
连续删除4个抗生素耐药位点
改造2个延伸因子Tu基因
这项研究值得关注的地方
植物工程常依赖农杆菌递送;直接优化这一底盘,可减少耐药标记并拓展后续菌株功能设计。
注:
效率因位点而异,植物表达验证集中于拟南芥瞬时体系;不同作物、稳定转化和生态适应性仍需验证。
07 · 生物打印|血管化球体|创面修复把细胞球体按形状放进水凝胶,小鼠创面修复获得协同改善
一体化平台将血管化细胞球体的制备、监测和打印连成流程,并在裸鼠全层皮肤缺损中检验修复效果。
该研究开发带实时监测的一站式细胞球体生物打印平台OBPS,以人成纤维细胞和人脐静脉内皮细胞共培养形成内皮化球体,再将球体与补充纤维蛋白原的明胶甲基丙烯酰水凝胶原位打印到裸鼠全层皮肤缺损处。
形状受控的内皮化球体在动物实验中加快创面闭合,抑制炎症,并促进新生血管形成和胶原重塑,同时表现出组织整合。研究的主要贡献不仅是观察修复变化,还在于把球体制备、培养、组装和应用连接为可监测流程,提示空间排布与细胞—材料协同可能共同影响修复表现。
关键数据
细胞来源包括人成纤维细胞和人脐静脉内皮细胞
动物模型为裸鼠全层皮肤缺损
打印材料含明胶甲基丙烯酰和纤维蛋白原
观察到创面闭合、血管形成和胶原重塑改善
这项研究值得关注的地方
将血管化细胞单元的标准化制造与原位打印结合,为复杂修复构建体的空间控制提供实验依据。
注:
证据来自裸鼠创面模型,且未给出效应幅度;不能直接推断人体创面疗效、长期安全性或临床可操作性。
08 · 最小字母表|蛋白设计|实验验证蛋白质需要二十种氨基酸吗?八种已能折叠出复杂结构
计算设计与实验共同测试蛋白字母表能压缩到什么程度:八种氨基酸可行,更少种类仍面临折叠障碍。
该研究先调查UniProt中超过2.5亿条序列,再设计长度为100个残基、由10种早期氨基酸中2至10种组成的全部1013种字母表对应蛋白,并实验检验代表性设计,同时测试逆折叠模型ProteinMPNNsol的稳定化能力。
天然序列中采用缩减氨基酸字母表的蛋白极少;较小字母表偏向简单螺旋或螺旋束,较大字母表才允许更复杂结构。由8类氨基酸组成的设计蛋白形成富含β折叠的纤连蛋白III型结构,而6类和4类设计未获实验验证。ProteinMPNNsol还能在同一8类字母表内提高设计蛋白稳定性。
关键数据
调查超过2.5亿条UniProt序列
设计蛋白长度为100个残基
系统覆盖1013种氨基酸字母表
8类氨基酸设计获验证,6类和4类未成功
这项研究值得关注的地方
研究为“结构复杂度需要多少化学字母”提供了计算与实验交叉答案,也界定了当前最小化设计的可行边界。
注:
早期蛋白演化含义主要来自计算设计与有限实验验证;单个8字母蛋白不能证明所有球状蛋白均可如此构建。
值得关注的趋势
01|从改基因转向重构系统约束
能量供给、中心碳流、跨界递送和空间组装成为主要设计对象。研究重点不再只是提升单个元件,而是处理生长、生产、稳定性和递送之间的竞争关系。
02|少量精准改动可以触发系统级变化
6个非天然氨基酸即可改写材料相变,8类氨基酸可以支持复杂折叠,关键酶与旁路的组合则重排碳流。变化幅度不取决于改动数量,而取决于是否击中控制节点。
03|验证场景正在向真实任务推进
反应器、温室植物、拟南芥转化和小鼠创面使设计走出概念验证,但证据仍分属不同层级。规模化、田间表现、跨物种适用性和人体效果不能由现有结果直接推出。
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